金属科学
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科学家如何利用极端物理学来探索土星的雨,海王星的钻石
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科学家如何利用极端物理学来探索土星的雨,海王星的钻石

在有史以来最具技术上先进的实验室之一,一个高能的激光力量。它射击了持续时间的脉冲,持续一秒钟的级数,引人注目的宇宙中最常见的材料的分数。

冲击波可能会创造出存在于行星中心的前所未见的物质类型。或者,它可能会产生矿物,散布在卫星坑洼的表面,点缀在小行星和陨石中,尽职地记录它们混乱的过去。

这听起来像科幻小说 - 事实上,已经被描绘起来在大屏幕上.但这些实验是科学现实,并在全球范围内的许多高能量实验室举行。该技术是动态压缩的一个示例,用于其速度和产生的强烈压力。快速挤压的行星材料复制了行星内部和在充满活力的事件中发生的过程,如碰撞和影响。

“我们开始思考如何在实验室中真正合成行星内部的条件,”说阿里安娜格里森,斯拉克国家加速器实验室和斯坦福大学的实验性矿物物理学家在梅洛公园,加利福尼亚州。我们“以矿产为我们习惯看到每一天 - 石英,长石,人类有不断接触的东西 - 并提出问题,它们看起来像什么,他们在极端条件下的物业是什么?”

氢、氦、甲烷、水、硅酸盐、铁——所有这些常见的行星物质都可以在行星内部或表面的固体、液体和气体之间发生变化,这取决于压力和温度。这些原子尺度的变化可以决定这颗行星是否有地核和地幔,是否有磁场,是否能经受住灾难性的撞击,是否能维持生命。

为了超过半个世纪在美国,动态压缩实验让科学家们能够看到地球中心普通行星物质的变化。更大的行星和系外行星的内部运作直到最近才从实验室获得。

钻石,枪支和激光

在动态压力实验的所有移动部位来到静态实验的稳定压力之前,科学家们在其中“综合这些高压和高温条件”,但是......在长时间的条件下保持它们 - 分钟,小时,即使是多年的,“格明说。

最常用的工具叫做钻石砧细胞它会将样本挤压在岩石和坚硬的地方之间。“有一张在我抽屉里放了好多年了,”格里森说。一旦样品处于压力下,科学家就可以检查其化学、分子或晶体结构、视觉特性和相的任何变化。

“社区一直在一千千兆卡帕斯,100万大气压的秩序下工作,以便走近50年,”Raymond Jeanloz.是加利福尼亚大学伯克利的行星科学家。(地球表面的压力是1气氛。)“一百只数大大的千兆卡马尔是我们领域的重要压力,因为大致对应于......地球的核心地幔边界。”这地心的中心大约三次压力,这在较新的较小的钻石砧座细胞设计中,较小的钻石砧座设计,其在较小的样本尺寸上聚焦相同的力量以产生更大的压力。

“静态压缩绝对奠定了基础,是矿物质中压缩群落的基岩,”格里森说。但钻石只是如此强大,并且测试样品只能得到这么小。动态压缩可以达到冰巨型,超地和天然气巨星内发现的更高压力,并允许我们研究影响的事件,如冲击力,在这种情况下发生变化。“我们谈论了一个非常加速的施加压力方式。”

“回到领域的开头,”说六月灯芯他说:“在学术机构的地下室里会有巨大的气枪,而这种技术是测量状态方程的基础。”以极高速度发射的抛射物在试验室内击中目标样品,然后科学家可以观察压力波通过目标传播并研究其变化。

Markimore,马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学的行星科学家使用激光驱动的压缩实验来研究原子和分子在行星内移动和交互。在过去的20年左右,威克斯说,使用高能光激光器压缩,就像一个在斯拉克国家加速器实验室,已经进入了该领域的正面。

“你将[激光]聚焦在样品上,它将表面转化为等离子体,并且等离子体膨胀并将相同且相反的压力波传送到样品中,”威克斯表示。所有这一切都发生在几十亿日。

使用激光和脉冲电源Jeanloz说:“人们已经研究了高达十亿大气压的压力......一千倍的增加”稳定压缩,即静态压缩即可实现。较短的激光脉冲达到更高的压力,随着更多的功率一次撞击样品。

格里森说:“它的能量相当于一瞬间的一道闪电。”

氦雨照亮了土星

这张迷人的土星自然彩图是卡西尼号于2008年7月开始其秋分任务后不久收集的图像。图片来源:NASA/喷气推进实验室/空间科学研究所

在地球上它下液态水,但在土星上它下液态氦。我们知道这一点是因为在国家点火装置在加利福尼亚州立利夫罗林雷国家实验室的劳伦斯·丽水国家实验室,验证了氢气和氦气混合在一起以及分开时的预测,这是一个叫做的财产混杂性

“氢是宇宙中人口最多的元素,而且以某种方式,氢存在于每一个行星体中”,就像它本身一样,或者存在于水和甲烷等化合物中,他说Takuo Okuchi是,冈山大学的行星材料研究所的副教授在日本。“其化学状态非常非常不同,这取决于其环境,[实质上,其]压力和温度条件。”

在木星和土星内发现的压力,Okuchi解释说,氢气变成了金属,意味着氢原子如此紧密地包装它们的电子重叠。液体金属氢气在这些气体巨大行星内部维持磁场。(在天王星和海王星里面,水变得金属,Okuchi说。)

“在足够高的压力和温度下,氢气和氦气彼此溶解并形成连续液体,”说莎拉斯图尔特他是加州大学戴维斯分校(University of California, Davis)的行星科学家。“它们不再是气体,因为它们处于如此高的压力下,但我们称之为流体。但有一个边界,当温度低于一定温度时,氦会形成液滴,然后雨滴落到内部。”

“这就像油和水,”让罗兹说。

土星比它的年龄应该亮50%,斯图尔特解释说,这可能是因为土星上有氦雨,而木星上没有。“这是一个想法这已经存在了一段时间,但最近我们只能达到那些实验室条件.”

“这些原子层面的变化影响着整个星球,”威克斯说。

钻石装饰海王星的天空

由欧洲南方天文台超大望远镜上的MUSE/GALACSI仪器拍摄的海王星图像。照片:ESO / P。Weilbacher (AIP)

像天王星和海王星这样的冰质巨行星的甲烷含量更高(CH4. ),水(h2o)和氨(NH3.),动态压缩实验表明,那里的雨变得更加奇怪。一个由Dominik Kraus.探索纯碳氢化合物材料发生的事情发生在暴露于可能存在的行星内部的条件下 - 在这种情况下,海王星。

“我们现在已经看到了纳米金刚的形成,”赫尔米霍尔兹Zentrum Dresden Rossendorf在德国的实验物理学家克劳斯说。纳秒激光压缩的压力破坏了将氢气和碳的分子键合在一起并将碳压入纳米钻石.发现确认了一个长期的理论

像这样的实验突出了激光压缩对金刚石砧座细胞的优点。两种类型的实验经常使用最亮的X射线源来分析压缩前,期间和之后样品的微观结构。但是,当您正在寻找小钻石的签名时,Kraus说,如果压缩本身并非使用钻石完成,则更容易。

此外,氢“与任何周围材料反应,”Okuchi表示,包括含有激光靶的胶囊。水是水,另一种普通的行星材料。“通过使用非常强烈的激光束,我们立即压缩纳秒内的材料”并在同一时间框架内进行多次测量。“这是在没有任何反应的情况下在没有任何污染的情况下衡量这种极端条件的最佳方法。”

采取纳秒实验的结果并将其应用于行星时间尺寸,可以是“模糊”的努力。“当然,纳秒内发生的事情也将在数百万年内发生,”Kraus说。“问题是,我们无法在我们的小时间尺度看不到什么可以发生的?”

超短时间尺度,对于行星压力驱动行星材料,是这种方法的“最大的弱点”,根据灯芯。“我们正试图提出关于......一个星球内部的命运,它在超龙时间尺度,一个纳秒的实验。......我们到达的状态越优越,你必须做的时间越短。“

固液水使冰巨人复杂化

在这种艺术渲染中,高功率激光聚焦在钻石的表面上,产生一系列冲击波,在整个样品中传播(从左到右),同时压缩和加热最初的液体水样,强迫它冻结超级水冰相。图片:Millot,Coppari,Hamel,Krauss(LLNL)

更好地了解天王星和海王星内的材料流程也可以帮助我们了解最常见的类型太阳系外行星。

克劳斯说,在太阳系外的行星中,“有大量的小型海王星,它们可能和天王星和海王星一样,只是没有太多的氢氦大气层。”所以,真的,一种粘稠的、冰冷的混合物。”

2018年发表的实验表明,冰巨星的“冰”比之前认为的要复杂得多。“我们发现水的这种不寻常的超声速状态只存在于高压和高温下,这与我们预期的海王星和天王星内部类似,”说马吕斯Millot他是劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家。"超音速冰是一种新的物质状态"

Millot带领了发现这个以前未知的物质的研究人员团队。他们首先使用了钻石铁砧细胞,然后是罗切斯特大学的ω激光设备迫使水结晶进入这种新状态。

“对于水,[超级冰]是形成H的氧原子的状态2o我们熟悉的分子继续形成一个坚实的格子,就像我们知道的冰一样,“Millot说。“但与我们所知道的冰不同,在我们的冰块中,在超前冰中,氢实际上可以在这种氧气的晶格中移动。基本上,氢原子在由氧气制成的固体晶体内几乎相似地移动。这是一个非常不寻常的固态。“

在冰巨型地幔的压力下(大约2亿大气压),超级冰在4,700°C附近的温度下熔化,比环境更热。该团队证实了冰的新型晶体结构后来的研究.“这可能是这种超级冰甚至在海王星和天王星内甚至不会融化,”Millot说,这个星球可以是相当坚固

流动的氢气原子携带电荷,因此它们会与行星的磁场相互作用,并可能影响行星的磁场。克劳斯说,更重要的是,行星内部的结构和能量传输可以改变其他可观测的现象,比如天气。

将这些新发现应用到我们的冰巨星上的困难来自于缺乏观测数据。天王星和海王星旅行者2号在20世纪80年代只短暂访问过这两个行星,因此我们缺乏关于行星的引力、磁场、天气和组成的详细知识,无法更好地将实验和理论结合起来。

克劳斯解释说,实验人员正在与设计一个可能的未来冰巨人任务.压缩实验限制了探测器可能遇到的条件,确定了科学家需要收集的数据,并将观察结果放入具体环境中。

克劳斯说:“从我们的冰巨星开始进行高压实验已经非常困难。”然后将我们的知识应用到系外行星上,“你需要依靠那些你已经拥有的约束条件来思考我们所有的行星也可以有什么可能。”

地球被拆了又被造了

除了提高我们对行星内部的当前状态的理解之外,动态压缩也是了解突然,瞬态高能量事件的宝贵工具,如可能敲击行星演变的影响。

考虑地球和月亮。地球岩石和月亮岩石的化学特征表明了一个重大影响很久以前那么抹去了地球,然后形成了月亮。但是,通过组合高压矿物物理和计算机模拟,Stewart的实验室发现,在这种影响之后一段时间,地球可能已停止成为一个星球。

相反,地球是一个索内斯蒂亚:一个熔化的液态铁岩石团,形状可能像甜甜圈或飞碟(见视频)。“我们习惯于认为大气和岩石是分开的,”斯图尔特说,“这意味着我们呼吸的气体。我们试图理解巨大撞击后发生了什么,部分原因是在我们的计算中,索内斯蒂亚外部部分的混溶性。铁、岩石和大气都在单一的流体中相互溶解。它们完全可以混溶。”

句子地球不断改变其形状和以不同速度旋转的部分,这违反了行星的定义。“我们正在研究实际的热力学国家以及它们如何改变,并试图了解通过查看材料属性而制作的内容,”斯图尔特说。“这就是我们真正打开了门的原因,以弄清楚这个星球可以变成一个新事物的东西。”

模拟是理解撞击现象的关键,我们不能通过在实验室中进行撞击来重现所有的条件,因为我们没有在真实的行星事件中需要的引力,”斯图尔特说。"我们收集岩石和矿物的基本材料数据"但模拟和AB Initio.建模对于理解它们对行星进化的意义至关重要。

许多行星内部都是模糊的

地球获得了一个月球,再次成为一颗行星,但了解铁和硅酸盐混合的条件提出了新的问题,即它们是否在行星中完全分离成不同的层。教科书标准的行星模型定义了铁、硅酸盐和空气层,这是我们关于行星如何传输热量和产生磁场理论的基石。然而,实验在铁 - 硅酸盐合金中表明边界可能会有很大的模糊。

“那个行星超级地球可能看起来像一个地球——铁芯,岩石的层,然后一个更厚的大气层——或者他们可以看起来非常不同,因为天气太热在里面,现在铁和石头可以溶解到另一天,显然没有金属芯分离,”斯图尔特说。

斯图尔特说:“在地球表面和大气层之间的界面也发生了同样的事情。”“内部可以达到足够高的压力和温度,大气-表面边界也变得模糊,其中一部分大气溶解成岩浆,[]部分岩浆实际上溶解到大气中。”

“我们分层行星的概念可能是完全假的。我们还没有能够测量这项实验,但我们将在未来10年内[是],“威克斯说。

撞击记录了太阳系的历史

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这是一幅以太阳系内部为背景,描绘旅行者号宇宙飞船接近土星的艺术作品。来源:美国航天局/喷气推进实验室

大约40亿年前,太阳系内部充斥着流星。对撞击产生的矿物进行放射性同位素年代测定可以估计撞击发生的时间,而颗粒中的震动特征可以揭示撞击的规模。“锆石年龄或baddeleyite年龄对我们来说扮演了一个非常重要的角色,限制了整个轰击的历史,”说张张他是中国南京大学矿物学教授。“但对于一些(锆石),我们不知道这个年代的确切含义”,也不知道它到底意味着什么。

张研究了通过小行星,火星和月球样本的高压影响事件形成的矿物质。“我们希望了解为什么不同样本中的影响记录之间存在一些差异。它们是否与影响速度有关?与距离太阳的天线距离有关吗?目前,我们不太了解,“张说。“此信息对于建立模型至关重要,以了解太阳系中的动态,尤其是内太阳系统。”

我们的理解受到我们了解矿物质如何启动放射性同位点的限制以及如何重置它的过程。张先生分析了试图弄清楚的特派团返回的陨石和样品。“根据我们的矿物学研究和地理学调查,我们仍在努力破译影响事件是否影响锆石或贝德利伊特时代,”他说。这将告诉我们在内部太阳系上发生的影响时代是否发生在一次或波浪中。

斯图尔特说,努力针对太阳系的影响历史“解决早期地球和其他机构的居住问题”。“你可以指出[影响],并说可能这就是为什么地球和火星和金星不同,但我们无法真正解释那种情况。”

压缩场的扩展

桑迪亚国家实验室的爱马仕III脉冲电力设施。标题和照片:Sandialabs / Flickr,CC BY-NC-ND 2.0

作为美国的实验室,欧洲,亚洲带来了较新的仪器在网上,行星材料所承受的极端压力和温度已经越来越多地为世界各地的研究人员所了解。

“取决于压力范围和我们感兴趣的问题,”威克斯说,“我们有一个高压的技术,扭转了州的技术。那些技术越来越好。“该设施可能主要致力于核聚变和等离子体等高能量物理的其他领域,“但后来我们以后与我们的岩石一起标记并提出我们的问题。”

较新的仪器不仅提高了压力的上限,而且还可以在每个实验中产生更多的数据,而且也更快。鉴于第一激光压缩设施只能每天射出几次,现在他们可以每隔几分钟测试样品。

对于一些实验家来说,下一步的目标是进行更多的测试行星材料的现实混合物.毕竟,冰巨人不是仅由水或碳氢化合物制成。其他人试图限制材料特性,如电导率,粘度和冷却速率,其与大规模的行星特征相连,如亮度,天气和磁场。还有其他人想要通过利用激光器的独特属性来收集熟悉的材料的新信息,更准确地测量压缩样品,并使用更先进的仪器收集数据。“矿物质即将面临大数据问题,”威克斯说。“不是问题,机会。”一些团队正在展望机器学习如何指导实验设计不仅仅是找到最佳的回答问题,而且优先考虑第一个问题。

但高压实验主义者无法单独回答这些问题。“我们当然不能收集有足够的数据,以便能够在实验室数据中完成问题,”Stewart说。“我们绝对需要建模。然后,更好的限制来自观察者所看到的。“

“每个人都有发挥的空间。”

kimberly m.s.卡地亚(@Astrokimctier)是EOS的员工作家。

本文最初发布Eos,AGU出版物,并在NC-ND 3.0许可证的Creative Commons下发布了这里。

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